-
Adalbert Tarara, 59 Siegen, Schlachthausstr. 1 Alex Zöller, 593 HUttental-Weidenau,
Weidenauer Str. 172 Verfahren zur Verminderung des Schadstoffanteils in den Abgasen
von Verbrennungsmotoren und Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Schadstoffanteils
in den Abgasen von Verbrennungsmotoren und einen Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor
zur Durchführung des Verfahrens.
-
Beiballen derzeit bekannten Verbrennungsmotoren treten verhältnismäßig
große Mengen unvollkommen verbrannter Gase durch den Auspuff. ins Freie, die zu
der fortwährend steigenden Verunreinigung der Luft und damit zur stetigen Verschlechterung
der Umweltbedingungen beitragen.
-
Es sind schon verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um eine bessere
Abgasentgiftung herbeizuführen. So wird bspw.
-
versucht, die Auspuffgase auf katalytischem Wege zu reinigen. Es ist
auch bekannt, das dem Motor zugeführte Brennstoff-LuStgemisch auf elektronischem
Wege fortwährend, bspw.
-
durch entsprechende Regulierung der Vergasereinstellung, leistungsabhängig
so einzustellen, daß eine optimale Verbrennung im Zylinderraum während des Arbeitshubes
stattfindet. Der gleiche Zweck wird auch mit der elektronisch geregelten Brennstoffeinspritzung
bei Verbrennungsmotoren verfolgt.
-
Alle diese bekannten Maßnahmen erfüllen aber den angestrebten Zweck
nur unvollkommen, d. h., der Schadstoffanteil in den aus dem Auspuff austretenden
Abgasen ist immer noch verhältnismä'3-g hoch.
-
Die Erfindung basiert auf der tJberlegung, daß die unvollkommene Verbrennung
der Gase während des Arbeitshubesder Verbrennungsmotoren eine Folge der zu kurzen
Brennzeit ist, die wiederum abhängig vom Hubweg des Kolbens im Zylinder sowie von
der durch die Drehzahl der Kurbelwelle exakt bestimmten Taktzeit des Motors ist.
-
Aufbauend auf diese Überlegung schlAgt die Erfindung zur Verminderung
des Schadstoffanteils in den Abgasen von Verbrennungsmotoren als verfahrenstechnische
Lösung vor, daß die Kolbenwege bei den Verbrennungs- und Auspuffhüben gegenüber
den Ansaug- und Verdichtungshüben verlängert werden. Besonders zweckmäßig dürfte
es dabei verfahrenstechnisch setn, wenn die Verbrennungs- und Auspuffhub-Kolbenwege
mindestens dap; pelt so lang wie die Ansaug- und Verdichtungshub-Kolbenwege ausgeführt
werden.
-
Durch die vorgeschlagene Verfahrensart wird den gezündeten Verbrennungsgasen
für den Verbrennungsvorgang bezogen auf die Verhältnisse bei den voraufgegangenen
Ansaug- und Verdichtungsvorgängen mehr Raum, Weg und Zeit gegeben, so daß sie vollkommen
ausbrennen können, bevor sie durch den nachfolgenden Auspurfhub aus dem Zylinderraum
verdrängt werden.
-
Die Folge davon ist ein weitestgehend schadstofffreies Abgas, welches
in hohem Maße zur Reinhaltung der Luft beiträgt.
-
Außerdem ergibt sich durch die völlige Ausnutzung der in den Verbrennungsgasen
enthaltene Energie ein höherer Wirkungsgrad.
-
Ein Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor zur Durchführung des Verfahrens,
bei dem die Kolben Uber Pleuelstangen mit der Abtreibswelle verbunden sind, ist
im wesentlichen daduroh gekennzeichnet, dpB die Pleuelstangen mit der Abtriebswelle.
-
durch formschlüssig kraftübertragende Koppelglieder in Verbindung
stehen, über die innerhalb einerlHalbdrehung der Abtriebswelle ein Ansaug- und ein
Verdichtungshub und während einer weiteren Halbdrehung ein Verbrennunge- und ein
Auspuffhub
aussteuerbar ist und dabei die Steuerwege der Koppelglieder
während zweier aufeinanderfolgender Halbdrehungen unterschiedlich bemessen sind.
-
Eine besonders einfache Ausgestaltung solcher Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelglieder als längliche
Nockenscheiben ausgebildet sind, wobei die beiden großen Bogenradien einer Nockenscheibe
zur Aussteuerung zweier verschiedener unterer Totpunkte für die Kolbens unterschiedliche
i3ogenradien sowie unterschiedlichen Abstand zur Achee der Abtriebswelle haben und
mit Ubereinstimmendem Abstald zur Achse der Abtriebswelle angeordnet sind.
-
Eine erfind,ungsgemäße Weiterbildung liegt darin, daß die Nockenscheiben
einen Ilmennocken und einen dazu äquidistanten Außennocken haben, und daß die Pleuel
über Mitnehmerrollen oder ähnliche Wälzglieder zwischen Innen- und Außennocken formschliissig
eingreifen.
-
Nach einem anderen erfindungswesentlichen Merkmal sind die die Mitnehmerrollen
tragenden Pleuelenden durch im Gehäuse schwenkbar lagernde Lenker zwangsgeführt.
-
Bei Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit mehreren Arbeitskolben
liegt ein Merkmal der Erfindung darin, daß die Koppelglieder auf der AbtrSbswelle
mit einem von der Kolbenanzahl abhängigen gleichmäßigen Winkelabstand zueinander
angeordnet sind.
-
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu
sehen, daß die Ein- und Auslaßventile der Zylinder durch unmittelbar auf der Abtriebswelle
sitzende Steuernocken, bspw. aber Stößelstangen und Kipphebel'gesteuert sind. Die
bei herkömmlichen Viertakt -Hubkolben-Verbrennungsmotor en notwendigen zusätzlichen
Nockenwellen können eingespart
werden, weil sich erfindungsgemäß
alle vier Arbeitstakte während einer Umdrehung der Abtriebswelle abspielen.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich bei allen
bekannten Bauarten von Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren anwenden. Eine besonders
zweckmäßige, wenig aufwendige sowie leichte Bauform ergibt sich aber, wenn ein erfindungsgemäßer
Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor als Sternmotor mit vorzugsweise ungerader Kolbenzahl
und mit einer Nockenscheibe für alle Kolben ausgebildet ist.
-
In diesem Falle besteht Jedoch die Notwendigkeit, den Innennocken
der Nockenscheibe im Bereich desJenigen Ubergangsbogens seiner Umrißlinie, der die
Kolben bei ihrem Auspuffhub bis in die obere Totpunktstellung steuert, mit einem
Einschnitt zu versehen, der ein Vorbeibewegen des Innennockens an den die Pleuel
führenden Lenkern gestattet. bic Mitnehmerollen an den Pleuelstangen haben dabei
eine Anordnung, be der sie seitlich neben diesem Einschnitt mit dem Innennocken
zusammenwirken können.
-
In der Zeichnung ist als Anwendungsbeispiel der Erfindung ein sogenannter
Sternmotor dargestellt, und zwar zeigt Figur 1 den Verbrennungsmotor in einem quer
zur Achse der Abtriebswelle gelegten Schnitt und Figur 2 den gleichen Verbrennungsmotor
in einem parallel zur Abtriebswelle liegenden Schnitt.
-
An dem eigentlichen Motorgehäuse 1 sitzen gleichmäßig um dessen Umfang
verteilt mehrere, bspnl. 5, Arbeitszylinder 2 bis G, die sich radial vom Motorgehäuse
1 weg erstrecken.
-
In jedem dieser Zylinder 2 bis 6 ist ein Arbeitskolben 7 bis 11 geführt,
und an Jedem dieser Kolben ist das eine Ende einer Pleuelstange 12 bis 16 angelenkt.
Am anderen Ende jeder der Pleuelstangen 12 bis 16- sind Rollenpaare 17- bis 21 frei
drehbar gelagert, die mit einer gemeinsamen Nockenscheibe 22 in formsohlUssig kraftübertragendem-
Eingriff stehen. Diese Nockenscheibe 22 ist auf eine im Motorgehäuse l drehbar gelagerte
Abtriebswelle 2) aufgekeilt oder aber einstückig mit dieser hergestellt und besteht
aus einem
Innennocken 24 sowie einem dazu äquidistanten Außennocken
25.
-
Zwischen dem Innennocken 24 und dem Außennocken 25 greifen die Laufrollen
17 bis 21 sämtlicher Pleuelstangen 12 bis 16 formschlüssig ein.
-
Die Nockenscheibe 22 hat eine längliche Form; sie wird durch zwei
Kreisbogen 26 und 27 mit Großen aber verschiedenem Radius sowie zwei diese Kreisbogen
miteinander verbindende Übergangsbogen 28 mit kleinem und untereinander gleichem
Radius begrenzt. Von den beiden großen Bogen 26 und 27 hat der den größeren Radius
aufweisende Kreisbogen 26 einen relativ kleinen Abstand 29 von der Längsmittelachse
der Abtriebswelle 23, während der im Radius kleiner bemessene Bogen 27 einen größeren
Abstand 5o von der Längsmittelachse der Abtriebswelle 23 besitzt. Die beiden Übergangsbogen
28 der Nockenscheibe 22 besitzen vdn der Längsmittelachse der Abtriebswelle 23 hingegen
übereinstimmenden Abstand.
-
Jede Pleuelstange 12 bis 16 ist über einen eigenen, einerseits an
der Lagerachse für die Laufrollenpaare 17 bis 21 angelenkten und andererseits in
ortsfesten Lagerböcken des Gehäuses l aufgehängten Lenker 51 bis 55 an das ilotorgehäuse
1 kniehebelartig gefesselt. Der maximale Schwenkbereich dieser Lenker 31 bis 55
wird einerseits durch die Raumlage der Übergangsbogen 28 und des Kreisbogens 26
der Nockenscheibe 22 während ihrer Drehung im Motorgehäuse 1 bestimmt Die gehäusefesten
Lagerböcke 37 bis 41 für die Lenker 31 bis 35 sind dabei zur Längsachse des jeweils
zugehörigen Arbeitszylinders 2 bis 6 so gesetzt, daß die Lenker 31 bis 35 die die
Laufrollen 17 bis 21 tragenden Enden der Pleuelstangen 12 bis 16 auf einem in Drehrichtung
der Nockenscheibe 22
ausgewölbten Kreisbogen führen.
-
Durch das Zusammenwirken der Pleuelstangen 12 bis 16 mit der Nockenscheibe
22 werden die Kolben baim Auflaufen der Laufrollen auf Jeden der Übergangsbogen
28 in ihre obere Totpunktstellung bewegt. In ihre unterste Totpunktstellung werden
die Kolben 7 bis 11 hingegen Jeweils dann gebracht, wenn ihre Laufrollen sich im
Mittelbereich des Kreisbogens 26 befinden.
-
Jeweils dann, wenn sich die einem Kolben zugeordneten Laufrollen
im Mittelbereich des Kreisbogens 27 der Nockenscheibe 22 befinden, wird eine weitere
Totpunktstellung für diesen Kolben bestimmt, die zwischen dessen oberer -md dessen
unterer Totpunktstellung liegt. Die besondere Umrißform der Nockenscheibe 22 bewirkt
bei jeder vollen Umdrehung derselben, daß jeder Kolben 7 bis 11 des in der Zeichnung
gezeigten Sternmotors zweimal in seine obere Totpunktstellung und Jeweils einmal
in seine untere und seine mit lere Totpunktstellung gelangt.
-
Ausgehend von der oberen Totpunktlage des Kolbens bei Be ginn seines
Ansaughubes gelangt dabei der Kolben zunächst in seine mittlere Totpunktlage, die
mit dem Ende das Ansaughubes zusammenfällt, sodann wird der Verdichtungshub eingeleitet,
an dessen Ende sich der Kolben wieder in seiner obere ren Totpunktlage befindet.
Auf den Verdichtungshub folgt; dann der Verbrennungshub des Kolbens, bei welchem
dieser bis in seine untere Totpunktlage niedergedrückt wird, aus welcher er sodann
beim Auspuff wieder bis in seine obere Totpunktlage zurückgeht.
-
Die besondere Umrißform der Nockenscheibe 22 erreicht also einerseits,
daß sämtliche vier Arbeitstakte eines jeden Kolbens während nur einer Nockenscheibenumdrehung
ausgesteuert werden. Andererseits wird erreicht, daß die: Ko.lbenwege bei den Verbrennungs-
und Auspuffhüben gegenüber den Ansaug- und Verdichtungshüben wesentlich verlängert
sind
Die Umrißform der Nockenscheibe 22 kann dabei so ausgelegt
werden, daß die Kolbenwege bei den Verbrennungsuiid Auspuffhüben mehr als doppelt
so lang wie dle Kolbenwec:e bei den Ansaug- und Verdichtungshüben sind. Hierdurch
wird dar Kammervolumen im Verlauf des Verbrennungshuber auch wesentlich größer als
im Verlauf des Ansaughubes, so daß dein gezündeten ßrenngas zu seiner Entspannung
wesentlich mehr Raum, Weg und Zeit zur Verfügung steht als während des Ausaughubes.
Hierdurch bedingt können die Brenngase völlig ausbrennen und sich auch vollkommen
entspannen, bevor sie durch den Auspuffhub ins Freie gedrückt werden. Auf diese
Weise wird nicht nur die in den Brenngasen enthaltene Energie völlig ausgenutzt,
sondern was noch wichtiger ist, die austretenden Abgase sind durch das völlige Ausbrennen
weitestgehend schadstoffrei.
-
Weitere bewerkanswerte Vorteile der nach dem Erfindungsprinzip, arbeitenden
Verbrennungsmotoren liegen darin, daß die Einlaßventile 42 und die Auslaßventile
43 eines jeden Arbeitszylinders 2 bis 6 von auf der Abtriebswelle 23 sitzenden Nocken
44, bspw. über Stößelstangen 45 und Kipphebel 46, gerteuert werden können. Besondere
Nockenwellen können damit eingespart werden, weil alle vier Arbeitstakte der Kolben
innerhalb einer Umdrehung der Abtriebswelle 23 ausgesteuert werden.
-
Ferner sei erwähnt, daß die völlig ausgebrannten und entspannten Auspuffgase
wesentlich geräuschärmer austreten als bei den herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
-
Erfindungsgemäß arbeitende Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren
können wegen des Fortfalls der aufwendigen ICurbel- und Nockenwellen auch billiger
als herkömmliche Motoren hergestellt werden, auch können die Kolben wegen der geringeren
auf sic einwirkenden Seitendrücke kürzer gehalten werden sowie eine längere Lebensdauer
erreichten.
-
Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei dem als Anwendungsbeispiel
der Erfindung oben beschriebenen sogenannten Sternmotor
noch eine
Eigentümlichkeit in der Ausbildung der Nockenscheibe 22 beachtet werden muß. Bedingt
durch die Verwendung der Lenkerhebel 31 bis 35 zur Fesselung der Pleuelstangen 12
bis 16 an das Motorgehäuse 1 ist es nämlich notwendig, die Nockenscheibe 22 an ihrem
Innennocken 24 im Bereich desJenigen Übergangsbogens 28, der jeweils den Auspuffhub
des Kolbens beendet, mit einem Profileinschnitt 47 zu versehen. Dieser Profileinschnitt
47 gestattet nämlich erst ein ungehindertes Vorbeibewegen der Nockenscheibe 22 an
den in ihre unterste Endlage ausgeschwenkten Lenkern. Damit aber trotzdem eine exakte
Steuerung der Kolbenbewegungen in diesem Bereich gewährleistet ist, sind de Mltnehmerrollen
in Form von Rollenpaaren vorgesehen, die sich seitlich neben dem Profilelnschnitt
47 auf de;l Innennocken 24 abwälzen.
-
Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Anwendung
bei Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren der Sternbauart. Vielmebr sind sie auch
bei allen anderen bekannten Bauarten von Hubkolben-Verbrennungsmotoren anwendbar.
In diesem Falle muß Jedoch jedem Kolben des Motors eine eigene Nockenscheibe zugeordnet
werdenfund die Nockenscheiben müssen auf der Abtriebswelle 23 mit einem von der
jeweiligen Kolbenanzahl abhängigen gleichmäßigen Winkelabstand zueinander angeordnet
sein.